Marangoni-surfers zijn kleine deeltjes die zichzelf voortstuwen terwijl ze zich op een vloeistof-vloeistofgrensvlak bevinden op een manier die vergelijkbaar is met die waarop een surfer zich op het oppervlak van een golf beweegt. In recente jaren, zelfrijdende deeltjes zijn de focus geworden van talrijke natuurkundige studies, omdat ze als model zouden kunnen dienen om de beweging van actieve Brownse objecten met een breed scala aan snelheden en interacties te bestuderen.

Onderzoekers van ETH Zürich, Heinrich-Heine University in Düsseldorf en University College London (UCL) hebben onlangs actieve micrometrische Marangoni-surfers gerealiseerd door laserlicht toe te passen op Janus-colloïden die worden geabsorbeerd op water-olie-interfaces. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , bouwt voort op verschillende eerdere onderzoeken naar het gebruik van licht om de beweging van microzwemmers te regelen.

"Dit werk kwam tot stand door een voortdurende inspanning om microzwemmers te realiseren die efficiënter zijn en die gemakkelijk kunnen worden gecontroleerd, " Lucio Isa en Nick Jaensson, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org. "Onze resultaten zijn gebaseerd op een bestaand oeuvre dat zich bezighoudt met het regelen van de beweging van microzwemmers met behulp van licht en met de eigenschappen van microzwemmers die zijn opgesloten op vloeistofinterfaces, waaronder een deel van ons eerdere werk."

In een van hun eerdere onderzoeken, Isa en zijn collega's ontdekten dat het opsluiten van Janus-deeltjes op olie-waterinterfaces deze deeltjes in staat stelde zichzelf voort te stuwen via zelf-gegenereerde chemische gradiënten die katalytische reacties veroorzaakten. Dit effect lijkt sterk op het effect dat vaak wordt waargenomen bij deeltjes in bulksuspensies.

In aanvulling, de onderzoekers merkten op dat deze deeltjes zeer sterk met elkaar konden interageren vanwege de afstotende elektrostatische krachten die kenmerkend zijn voor objecten die opgesloten zijn in interfaces. Hoewel deze waarneming opwindende nieuwe mogelijkheden opende voor de studie van sterk op elkaar inwerkende actieve deeltjes, Het is bekend dat katalytische zwemmers bijzonder moeilijk te beheersen zijn met externe factoren. Dit komt omdat hun voortstuwing afhankelijk is van de concentratie van chemische brandstof, die moeilijk dynamisch te regelen is.

"De oplossing voor dit probleem kwam door het koppelen van het genereren van asymmetrische temperatuurgradiënten door lichtabsorberende Janus-deeltjes en het bekende idee dat op vloeistofgrensvlakken, die genereren oppervlaktespanningsgradiënten en, overeenkomstig, Marangoni-stromen die kunnen worden gebruikt om de deeltjes voort te stuwen via ruimtelijk en temporeel gecontroleerde verlichting, ' zeiden Isa en Jaensson.

Marangoni-surfers zijn zelfrijdende deeltjes, wat betekent dat ze externe energiebronnen kunnen omzetten (bijv. licht) in gerichte beweging door een asymmetrie te creëren en in stand te houden in de eigenschappen van hun omgeving (bijv. temperatuurprofielen), die op hun beurt oppervlaktespanningsprofielen genereren. De naam Marangoni wordt geassocieerd met de oorsprong van deze zelfrijdende kwaliteit, die wordt gemedieerd door oppervlaktespanningsgradiënten en de bijbehorende vloeistofstromen. De manifestatie van deze vloeistofstromen, die kan worden waargenomen in verschillende fysieke verschijnselen (bijv. tranen van wijn en voortstuwing van kamferboten), staat bekend als het Marangoni-effect.

"Marangoni-surfers zijn belangrijk in de natuurkunde omdat ze een nieuw modelsysteem vormen om de actieve beweging van zelfrijdende microschaalobjecten met een enorm dynamisch bereik van snelheden (tot 10, 000 lichaamslengtes per seconde) en afstembare interacties, Isa en Jaensson zeiden. "De laatste worden gemedieerd door de vloeistofinterface, die hen ook beperkt in een tweedimensionaal vlak zonder de aanwezigheid van vaste grenzen. Het experimenteel bestuderen van de collectieve beweging van actieve deeltjes in afwezigheid van aggregatie was een uitdaging voor de gemeenschap en zal de weg vrijmaken voor het bestuderen van tweedimensionale materialen zoals kristallen en glazen die uitsluitend van actieve componenten zijn gemaakt."

Om microschaal Marangoni-surfers te realiseren, Is een, Jaensson en hun collega's gebruikten een eenvoudige methode waarbij een monolaag van deeltjes (d.w.z. dicht opeengepakte laag deeltjes) met behulp van een gouden film via een techniek die bekend staat als sputtercoating. Vervolgens, ze beperkten de deeltjes op een olie-watergrensvlak door een druppel van een waterige suspensie af te zetten met behulp van een microspuit.

Eindelijk, de onderzoekers verlichtten de deeltjes met een groene laser. Het licht van deze laser werd geabsorbeerd door de gouden kapjes van het deeltje, genereren van een asymmetrisch temperatuurprofiel.

"Het asymmetrische temperatuurprofiel dat wordt gegenereerd door de adsorptie van de gouden dop genereert een oppervlaktespanningsgradiënt die de deeltjes voortstuwt via Marangoni-stromen, Isa en Jaensson zeiden. "In de aanwezigheid van oppervlakteactieve soorten, d.w.z., oppervlakteactieve stoffen, de deeltjesbeweging is ook gekoppeld aan een concentratiegradiënt, die een tweede oppervlaktespanningsprofiel genereert. De balans tussen de twee regelt de voortstuwing."

Is een, Jaensson en hun collega's behoren tot de eerste onderzoekers die actieve deeltjes demonstreren met een extreem breed scala aan mogelijke voortstuwingssnelheden door Marangoni-stromen op microschaal te benutten. Bovendien, de voortstuwingssnelheden van de deeltjes die ze hebben gecreëerd, kunnen eenvoudig worden geregeld door eenvoudig de concentratie van oppervlakteactieve stoffen en verlichting te regelen.

"De deeltjes die we hebben gedemonstreerd, vormen een nieuw modelsysteem dat kan worden gebruikt om de eigenschappen van een nieuwe klasse actieve materialen te onderzoeken, Isa en Jaensson zeiden. "We zijn nu van plan onze studies uit te breiden, waar we ons voornamelijk hebben gericht op het karakteriseren van het voortstuwingsgedrag van één deeltje en op het ophelderen van de microscopische oorsprong ervan, het geval van de gelijktijdige controle van assemblages van Marangoni-surfers naar de realisatie van tweedimensionale actieve materialen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk